SiC MOSFET模块并联应用中的动态均流问题

在电力电子领域，当多个SiC MOSFET模块并联时，受器件参数、寄生参数等因素影响，会出现动态电流不均的问题，制约系统性能。本章节带你探究SiC MOSFET模块并联应用中的动态均流问题。

1动态均流

MOSFET模块并联的动态均流是指在多个MOSFET模块并联工作时，在开关转换过程中（即开通、关断的过程），使各个MOSFET模块之间的电流能均匀分配。

1.1 动态不均流产生的原因

器件参数离散性：制造工艺的差异使得SiC MOSFET的通态电阻RDS(on)、阈值电压VGS(th)、栅极电容Ciss、Coss等参数存在离散性，在开关过程中，这些参数差异会导致动态电流不平衡。

寄生参数影响：栅极驱动、主回路寄生参数（如杂散电感Ls）等因素，也会导致动态电流不平衡。

温度：局部温度差异通过影响SiC MOSFET的电气特性影响均流。温度会影响SiC MOSFET的阈值电压VGS(th)，如第18讲《SiC MOSFET的动态特性》图1所示，温度升高时，阈值电压VGS(th)会降低，导致高温的器件率先开通。另外，温度会影响器件内部载流子寿命和迁移率，从而导致其开关时间差异，进而影响动态过程中的电流均衡。

1.2 动态不均流的影响

器件损耗不均衡：动态不均流问题会使各并联MOSFET模块通过的电流不一致。电流大的器件通态损耗和开关损耗增加。

降低系统可靠性：动态不均流问题使部分器件承受较大的电流应力和热应力，容易引发器件的故障。

限制系统性能提升：为了避免因动态不均流问题导致器件损坏，电路设计时往往需要降额使用，或者选择额定电流较大的SiC MOSFET模块，或者降低电路的工作频率、输出功率等。这在一定程度上限制了系统性能的提升，无法充分发挥SiC MOSFET模块的优势，不利于实现系统的小型化、高效化设计。

产生电磁干扰：动态电流不均衡可能会导致电路中的电流波形出现畸变，产生高频谐波分量。

2解决动态不均流的方法

在SiC MOSFET模块并联应用中实现动态均流需要考虑多方面因素，以下从器件选择、电路布局设计、驱动电路设计、散热处理等维度作简要介绍：

1）器件选择与筛选

参数一致性：挑选并联应用的SiC MOSFET模块时，要确保关键参数，如阈值电压、跨导等的一致性。这些参数的差异会直接影响模块的开关特性和电流分配，参数离散性越小，越有利于实现动态均流。一般来说，同一批次的模块电气性能比较接近，因此，在选择并联的模块时，通常选用同一批次的模块。

2）电路布局设计

对称布局：采用对称的电路布局，使各并联模块到电源、负载以及驱动电路的路径长度和寄生参数尽可能一致，让每个模块的功率回路和驱动回路具有相似的电气特性，减少因布局差异导致的动态均流问题，如第21讲《SiC MOSFET模块的并联-静态均流》图2、图3所示，经过调整布局布线，可以使流过各器件的电流基本保持相同。

3）驱动电路设计

驱动信号一致性：驱动信号的差异会导致模块的开关时间不一致，从而影响动态均流。可以采用一个驱动核来驱动并联的模块，并且使每个栅极驱动回路阻抗尽可能接近。

驱动能力匹配：驱动电路的输出能力要与模块的要求相匹配，驱动能力不足会导致开关速度变慢，增加开关损耗，影响动态均流性能。

推荐每个并联模块使用独立的栅极电阻，如图2所示，可避免栅极振荡。

图1：集中栅极电阻

图2：独立栅极电阻

推荐在栅极驱动的源极环路中加入一个小电阻（如0.1欧姆）或者铁氧体磁珠，可以抑制源极环路电流，因为该环路电流会影响并联器件的瞬态栅极电压，导致不一致的开关速度，影响动态均流。如图4所示。

图3：源极环路电流

图4：限制源极环路电流的措施

4）散热设计

确保各并联模块能够均匀散热，避免因温度差异导致的SiC MOSFET动态参数差异，影响动态均流。

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<关于三菱电机>

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